análise comparativa dos produtos derivados das...

Análise comparativa dos produtos derivados das variáveis geomorfométricas dos

algoritmos SAGA/GIS e ArcGIS

Comparative Analysis of derivatives products of geomorphometrics variables from

SAGA/GIS and ArcGIS algorithms

Vitor Hugo de Almeida Junior¹

Fernando Ragner Moreira Souza¹

Ricardo Vieira da Silva¹

Orion Maldaner Santos¹

Michele Monguilhott1

Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)

¹Tecnologia em Geoprocessamento, Colégio Politécnico.

{vitorhugo.jr, fernandoragner}@hotmail.com, {ric.sveira, orionmaldaner}@gmail.com,

[email protected]

Abstract. The present work searches for a better comprehension of products originated from algorithms applicable

in geographic modeling. The algorithms explored in this research aim to compare morphometrics variables

generate from hydrologically consistent DEMHC model. These algorithms manage DEM from SRTM images for

automatic generation of basins, sub-basins and micro basins, to test it reliability, precision, efficiency and

potentiality. Bases derived from Saga GIS and Hydrology represent the topologically consistent drainage surface.

For the city of Santiago, RS, two SRTM scenes, 28s555 and 29s555, with 30 (thirty) meters of spatial resolution

and its valleys corrected by the Topodata INPE database, were used. The algorithms used on the research were

from the Hydrology tool, deriving out of ArcGIS® v10.2.2 software. The Terrain Analysis algorithms were from

the open source provider SAGA/GIS, emulated on QGIS v2.8.9 software, for watershed and hydrologically

consistent data generation. The variables applied to compare those algorithms were drainage surface area and

perimeter and morphometric variables. The variables derived from the algorithms, preserved the hydrological

consistence of the information, however with slights differences between the analyzed variables.

Palavras-chave: algorithms, hydrologically consistent model, morphometric analysis.

1. Introdução

Políticas de planejamento requerem unidades espaciais de planejamento e as bacias

hidrográficas são ótimas unidades espaciais para este fim, visto que as mesmas preenchem

vários requisitos que são fatores decisivos para o planejamento de uma gama extensa de

atividades, além é claro do planejamento hídrico. Para Magalhães Jr (2007) nas bacias

hidrográficas se organizam os recursos hídricos superficiais em função de sua relação entre a

estrutura geológica-geomorfológica e as condições climáticas. Para o autor essa unidade a partir

de 1980 passou a incorporar o conceito de sustentabilidade.

Algumas variáveis que derivam das bacias hidrográficas resultam de suas características

fisiográficas como geomorfologia, geologia, pedologia, hidrologia, etc. Tais características

permitem diversas análises.

A definição de bacia hidrográfica possui basicamente um único conceito que a define que

segundo Christofoletti (1980) é a área drenada por um rio ou sistema fluvial com quantidade

de água dependente de variáveis morfológicas e ciclo hídrico local.

As bases cartográficas digitais e Sistemas de Informações Geográficas vêm sendo cada vez

mais utilizadas para o planejamento visto a sua capacidade de manipulação e análises de

respostas rápidas e fidedignas. Segundo Paulino e Carneiro (1998 apud Silveira et. al., 2008, p.

1), de forma bem fácil, podemos conceituar uma base cartográfica como sendo uma

“representação cartográfica dos aspectos ambientais, produzida com aplicação de métodos

cartográficos de transformação de superfícies apoiados no referencial geodésico único,

Galoá

Anais do XVIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto -SBSR

ISBN: 978-85-17-00088-1

28 a 31 de Maio de 2017INPE Santos - SP, Brasil

{ Este trabalho foi publicado utilizando Galoá ProceedingsGaloá


ISBN: 978-85-17-00088-1


{ Este trabalho foi publicado utilizando Galoá Proceedings 7867

mailto:[email protected]

representada inicialmente em um formato analógico”. Uma base digital simples permite gerar

dados para, por exemplo, a caracterização morfométrica de uma bacia que segundo Teodoro et.

al. (2007, p. 137) “é um dos primeiros e mais comuns procedimentos executados em análises

ambientais, e tem como objetivo elucidar as várias questões relacionadas com o entendimento

da dinâmica local e regional”.

Assim, o presente trabalho busca uma melhor compreensão de produtos derivados de

algoritmos aplicáveis em modelagem geográfica. Os algoritmos utilizados nessa pesquisa têm

o objetivo de obter variáveis para uma análise morfomométrica da bacia hidrográfica de modo

que apresentem um determinado nível de confiabilidade, buscado a comparação dos resultados

entre os algoritmos do SAGA/GIS e do ArcGis. As bases derivadas dos algoritmos SAGA/GIS

e Hydrology representam a superfície de drenagem topologicamente consistente derivados do

sistema fluvial analisado.

Busca-se também nesse trabalho fazer uma comparação dos resultados obtidos em um

software proprietário, no caso o ArcGIS® v.10.4.1, e um software livre, no caso o QGIS v.2.8.9,

de modo a demonstrar os desafios e facilidades dos mesmos para assim atingir aos usuários de

ambos.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Tendo em vista que bacias hidrográficas são unidades espaciais de planejamento muito

utilizadas em vários aspectos para estudos, análises e planejamento como recursos hídricos,

pedologia, geomorfologia, ocupação antrópica, economia, etc., testou-se duas

ferramentas/algoritmos com a finalidade de gerar um modelo hidrologicamente consistente, o

SAGA GIS/QGIS e o Hydrology/ArcGIS®, para que após a comparação entre os dois modelos,

pudesse ser utilizada suas informações para gerar variáveis geomorfométricas para posterior

análise.

Assim, utilizou-se duas cenas, 29s555 e 28s555, do modelo SRTM (Shuttle Radar

Topographic Mission) de 30 (trinta) metros de resolução espacial com suas depressões

corrigidas pelo TopoData do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) representando

modelo digital de elevação topologicamente consistente, para o município de Santiago-RS,

localizado entre as coordenadas geográficas 29º 11’ 30” S e 54º 52' 02”W. Aplicou-se então

uma sequência de procedimentos nos dois aplicativos: QGIS v.2.8.9 e ArcGIS v.10.4.1..

Figura. 01 Mapa de Localização da Bacia do Arroio Taquarembo, Santiago, RS.

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



O QGIS é um Sistema de Informações Geográficas livre e de código aberto. O projeto

nasceu em 2002 e foi estabelecido no SourceForge em junho do mesmo ano.

No QGIS emulou-se o SAGA GIS para utilizar-se o algoritmo Channel Network and

Drainage Basins, contido na ferramenta Terrain Analysis. O SAGA GIS (System for

Automated Geoscientific Analyses) é um software de GIS que funciona como provedor de

algoritmos livre, híbrido e multiplataforma, podendo ser instalado no QGIS como um plug-in.

O SAGA GIS provê vários métodos geocientíficos divididos em pacotes também chamados de

bibliotecas de módulo (QGIS, s/d).

O processamento dos dados seguiu as seguintes etapas no SAGA/GIS:

Eliminação das depressões (fill sinks) preenchimento de falhas, presentes nas imagens

SRTM e que de acordo com Mendes e Cirilo (2001 apud Sobrinho et. al., 2010),

caracterizam-se por áreas rodeadas com altitudes superiores a uma depressão.

Posteriormente se fez todo o processo de geração da rede de drenagem no algoritmo

(Channel Nework and Dranaige Basin) que compõe as seguintes etapas:

Definição do limiar (Theshold), direção de fluxo (flow direction), conexão do fluxo

(flow connectivity), ordem dos canais (Strahler Order), bacia de drenagem (Drainage

Basin), geração da rede de canais (Channels) e por último as confluências (Juctions).

O ArcGIS Desktop por sua vez é um software que possui um conjunto de

aplicativos e possibilita interfaces conjuntas, pode-se fazer qualquer tarefa de SIG,

simples a avançada, incluindo mapeamento, edição de dados, compilação, gestão de

dados, visualização e geoprocessamento. (ESRI, s/d)

No ArcToolbox encontra-se a ferramenta Hydrology com vários algoritmos para

análise hidrológica e delineamento de bacias hidrográficas.

Os algoritmos do ArcGIS atuam de forma no seguinte fluxo:

Fill: correção de depressões;

Flow Direction: direção do fluxo de drenagem;

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



Basin: geração das bacias presentes no MDE;

Flow Accumulation: acumulação de fluxo ao longo da drenagem;

Stream Order: ordena a drenagem utilizando o método de Strahler ou de Shreve;

Raster calculator: única ferramenta não presente no Hydrology. É utilizada para gerar

as linhas de drenagem com a seguinte expressão condicional: Con

(FlowAccumulation > Limiar, 1), onde o limiar neste caso foi 250.

Com os dados derivados do modelo para ambos algoritmos foram obtidos dados

representativos do sistema fluvial em análise que são: rede de drenagem e variáveis

morfométricas,

Fez-se então a caracterização morfométricas geométricas, tais como (I) Área total,

(II) Perímetro total, (III) Coeficiente de Compacidade, (IV) Fator de Forma.

Já a caracterização morfométrica da rede de drenagem se deram pelo (V)

Comprimento do curso d’água principal, (VI) Comprimento total dos cursos d’água, (VII)

Densidade da drenagem e (VIII) Ordem dos cursos d’água.

E para a caracterização morfométrica do relevo, utilizou-se apenas os divisores

topográficos (IV) para fins de visualização.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os procedimentos automáticos para a geração de bacias produziram os seguintes

resultados para a sub-bacia do Arroio Taquarembó (figura 02):

Figura 02. Bacias e drenagens geradas pelos dois softwares sobrepostas para fins de

comparação.

As variáveis obtidas na aplicação dos dois algoritmos foram coincidentes apresentando

pequenas diferenças não significativas para o sistema fluvial. Para a drenagem da sub-bacia

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



houve muita semelhança com base nos limiares utilizados de 250 para o algoritmo do ArcGIS

e 5 para o algoritmo SAG GIS.

Muito embora, os valores dos parâmetros não tenham resultados coincidentes entre os dois

programas, os valores são muito similares não apresentando diferenças significativas.

A seleção dos valores de limiares foi tomada de modo visual e também quantitativo, a partir

de testes. Para o limiar, quanto maior for seu valor, maior será seu detalhamento e menor a

densidade da drenagem, visto que seu valor está embasado na acumulação de fluxo. No

SAGA/QGIS necessita maior aprofundamento sobre qual seria a unidade utilizada pelo

algoritmo. Mas ainda assim, os dois produtos satisfazem o propósito principal do trabalho, o

qual será a comparação dos valores das variáveis geomorfométricas obtidas por ambos.

É possível avaliar na mesma figura 2 a coincidência na drenagem obtida, do delineamento

da bacia e do rio principal entre os produtos dos dois algoritmos, confirmados a partir das

variáveis geomorfométricos. Os parâmetros das variáveis geomorfométricos foram utilizados

para a comparação de ambos os algoritmos verificando assim o quanto os resultados diferem

um do outro (Tabela 1).

Tabela 01. Características morfométricas da sub-bacia do Arroio Taquarembo.

CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTRICAS

Tipo Variável Resultado ArcGIS Resultado QGIS Amplitude

Geometria

Área (Km²) 383.286 383.269 0.017

Perímetro (Km) 112.515 128.008 15.493

Coeficiente de compacidade 1.609 1.831 0.222

Fator de Forma 0.144 0.137 0.007

Drenagem

Comprimento Total dos Canais (Km) 519.715 532.521 12.806

Comprimento do curso principal (Km) 51.603 52.961 1.358

Densidade de Drenagem (km/Km²) 1.356 1.389 0.033

Número de Ordem dos Canais (Strahler) 5 5 0

A magnitude e a ordem dos canais foram definidas com base na proposta de Strahler (1952

apud Christofoletti, 1980), e seus valores expressos tabela 1:

Tabela 02. Comprimento do ordenamento dos canais pelo método de Strahler da sub-bacia do

Arroio Taquarembo.

Ordenamento de canais - Método de Strahler

Comprimento (Km)

Número da Ordem QGIS ArcGIS Diferença

1 252,02 217,74 34,28

2 134,98 119,31 15,67

3 80,29 76,5 3,79

4 35,25 27,51 7,74

5 30,07 25,14 4,93

A diferença mostrou-se pouco significativa, tendo em vista que a mesma está distribuída

em vários segmentos da rede de drenagem. Ressalta-se que a drenagem delimitada era densa,

tanto no QGIS quanto no ArcGIS, devido ao limiar estabelecido. Logo o número de diferenças

distribuídas nos segmentos dos cursos d’água será tanto maior quanto menor for sua ordem,

pois terá maior número de segmentos as ordens mais baixas. E também, em virtude da escala

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



do projeto, as diferenças mostraram-se um pouco maiores. Assim, estes produtos tornam-se

compatíveis com determinados objetivos e escalas. Para aprimorar ainda mais esses produtos,

o principal foco de melhoria é o ajuste dos limiares entre os dois softwares.

É possível ainda visualizar a semelhança do ordenamento dos canais na figura 3:

Figura 03. Ordenamento dos canais pelo método de Strahler nos dois algoritmos.

É importante ressaltar alguns contrapontos encontrados no ordenamento dos canais nos

algoritmos. O ordenamento pelo algoritmo do QGIS/SAGA GIS foi muito satisfatório, visto

sua facilidade de geração, tanto do ordenamento quanto nos cálculos geométricos dos mesmos,

pois o programa gera modelos em estrutura vetorial e raster, facilitando operações sobre este

modelo. Já o ArcGIS gera o modelo ordenado primeiramente no formato raster, dificultando as

operações de cálculos dos parâmetros geomorfométricos nessa estrutura.

O modelo acima foi convertido para vetor com a ferramenta do ArcGIS, Raster to Polyline.

Cabe salientar que esta conversão pode gerar pequenos segmentos de cursos d’água a mais, o

que compromete o cálculo de comprimento. Então para o cálculo do comprimento, utilizou-se

o próprio modelo matricial, no qual utiliza-se o campo COUNT da tabela de atributos, que

contabiliza o número de pixels da classe, multiplicou-o por 30m, que é o valor da resolução do

pixel, e dividiu-se por 1000, para se obter o comprimento em quilômetros, como na equação 1

a seguir:

Comprimento = ([COUNT] * 30) / 1000 (1)

Além disso, para a caracterização morfométrica do relevo, utilizou-se da divisão

topográfica que pode ser visto na figura 4:

Figura 04. Bacias geradas pelos algoritmos dos dois softwares sobre o mosaico SRTM

denotando a sua sobreposição aos divisores topográficos.

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



É possível notar que a bacia gerada pelos algoritmos coincide perfeitamente sobre os

divisores topográficos, ou seja, as áreas mais altas (claras) no entorno dos divisores de água.

Assim, por uma análise puramente quantitativa, os valores apresentados nas tabelas

apresentam pouca diferença, não significativas, corroborando com a coerência dos dados

obtidos.

A diferença entre os dos dados obtidos pelos dois algoritmos foi pequena, apresentando

valores mais elevados apenas no ordenamento dos canais, como já explicitado acima. As

diferenças de perímetro e do comprimento total dos cursos d’água, também pode ser explicada

pelos valores dos limiares utilizados. Entretanto, ambos não apresentaram diferenças

significativas visualmente.

A partir da área, perímetro, comprimento do rio principal, comprimento total dos rios e do

ordenamento dos cursos d’água foi possível calcular os parâmetros apresentados nas tabelas 1

e 2. Os resultados demonstram as potencialidades dos produtos derivados dos algoritmos a

coerência dos modelos.

Entre os dados gerados pelos dois algoritmos não foram encontradas diferenças

significativas porém, validando, os dados encontrados com a Base Hidrográfica Ottocodificada

(BHO) nível 6, da Agência Nacional de Águas (ANA, 2008) que é uma base obtida a partir do

Mapeamento Sistemático Brasileiro e hidrologicamente consistente, encontramos valores

superestimados e subestimados de área e perímetro (Tabela 3).

Tabela 3 - Validação dos parâmetros de área e perímetro obtidos pelos algoritmos

BHO

(ANA) QGIS ArcGIS Diferença (%)

Área (km²) 343,599 383,269 383,286 11,63

Perímetro (km) 131,542 128,008 112,515 -14,46 (ArcGIS)

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



-2,69 (QGIS)

Fonte: ANA (2008)

4. CONCLUSÕES

Os algoritmos testados atenderam de modo satisfatório o objetivo proposto, sendo que os

modelos derivados preservaram a consistência hidrológica das informações, porém, com

pequenas diferenças entre as variáveis analisadas, por exemplo: diferenças superestimada de

11,63% nos valores de área e subestimadas em 14,46% pelo algoritmo do ArcGIS e 2,69% pelo

algoritmo do QGIS. O comprimento de alguns canais de drenagem também apresentaram

diferenças quando obtidos por níveis hierárquicos.

Ambos os algoritmos utilizados derivaram modelos topologicamente consistentes, mas

deve-se considerar, além das informações geomorfométricas, as demais características

fisiográficas da área de estudo.

As características geomorfométricas da bacia foram satisfatórias obtendo-se resultados

similares dos parâmetros entre os dois algoritmos, tanto quantitativamente quanto visualmente.

As diferenças encontradas na hierarquia dos canais de drenagem são aceitáveis visto que foram

produtos obtidos através do uso de algoritmos que utilizam diferentes unidades na aplicação de

limiares e produzem resultados em diferentes estruturas geoespaciais.

Ressalta-se que não podemos afirmar neste primeiro momento qual o melhor algoritmo a

ser utilizado e que para validar significativamente os parâmetros encontrados faz-se necessário

à validação topológica de todos os parâmetros obtidos pelo modelo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÀFICAS

ANA. Agência Nacional das Águas. Brasil, 2008. Disponível em: Acesso em: 13 de nov. de 2016.

CHRISTOFOLETTI, Antônio. Geomorfologia. São Paulo, UNESP, 2ª ed., 179 p., 1980.

ESRI. ESRI Developer Documentation: What is ArcGIS Desktop? ESRI. S/d. Disponível em:

<http://edndoc.esri.com/arcobjects/9.2/cpp_vb6_vba_vcpp_doc/shared/desktop/get_started/what_is_dtop.htm>.

Acesso em: 9 de agosto de 2016.

MAGALHÃES JR., A. P. Indicadores Ambientais e Recursos Hídricos: realidade e perspectivas para o

Brasil a partir da experiência francesa. Rio de Janeiro: Bertrand, Brasil, 2007.

QGIS. Documentation QGIS 2.8: SAGA GIS algorithm provider. QGIS. S/d. Disponível

em:<http://docs.qgis.org/2.8/en/docs/user_manual/processing_algs/saga/index.html?highlight=saga> Acesso em:

9 de agosto de 2016.

SILVEIRA, Thyago DE A. et. al. Estruturação de bases cartográficas para sistemas de informação geográfica

(SIG). II Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação. Anais. Recife: 8-11 de

setembro de 2008 p. 000-000.

SOBRINHO, Teodorico A. et. al. Delimitação automática de bacias hidrográficas utilizando dados SRTM.

Jaboticabal: v.30, n.1, p. 46-57, jan./fev., 2010.

TEODORO, V. L. I et. al. 2007. O conceito de bacia hidrográfica e a importância da caracterização

morfométrica para o entendimento da dinâmica ambiental local. Revista UNIARA, n.20, 2007, p.136-155.

Galoá


ISBN: 978-85-17-00088-1




ISBN: 978-85-17-00088-1



análise comparativa dos produtos derivados das...

Documents